ESD é um risco sério em máquinas modernas?

Ouvi dizer que a eletricidade estática era uma preocupação séria há algumas décadas atrás. No entanto, muitos fabricantes de computadores agora não parecem se preocupar com coisas como correias de descarga eletrostática (ESD) ou outras medidas ao trabalhar em um sistema.

Os computadores estão menos suscetíveis a ESD agora?

Na indústria, é referida como descarga eletrostática (ESD) e é muito mais um problema agora do que nunca, embora tenha sido atenuada pela adoção amplamente recente de políticas e procedimentos que ajudam a diminuir a probabilidade de produtos que causam ESD.

Independentemente disso, seu impacto na indústria de eletrônicos é maior do que em muitas indústrias inteiras. Também é um tópico de estudo imenso e muito complexo, por isso vou abordar alguns pontos. Se você estiver interessado, existem inúmeras fontes, materiais e sites gratuitos dedicados ao assunto. Muitas pessoas dedicam suas carreiras a essa área. Os produtos danificados por ESD têm um impacto muito real e muito grande em todas as empresas envolvidas em produtos eletrônicos - seja como fabricante, designer ou consumidor, e, como muitas coisas tratadas na indústria, seus custos são repassados ​​para nós.

Pela Associação ESD:

“A era da eletrônica trouxe novos problemas associados à eletricidade estática e descarga eletrostática. E, à medida que os dispositivos eletrônicos se tornaram mais rápidos e menores, sua sensibilidade ao ESD aumentou. Hoje, a ESD afeta a produtividade e a confiabilidade do produto em praticamente todos os aspectos do ambiente eletrônico atual. Especialistas do setor estimaram perdas médias de produtos devido à estática na faixa de [até] 33%. Outros estimam o custo real dos danos provocados por ESD à indústria de eletrônicos, chegando a bilhões de dólares anualmente. ”

À medida que os dispositivos e seus tamanhos de recursos (significa vagamente o menor tamanho de componente produzido por uma determinada tecnologia) diminuem continuamente, eles se tornam mais suscetíveis a serem danificados por ESD - o que faz sentido depois de um pouco de reflexão. A resistência mecânica dos materiais usados ​​para construir eletrônicos em geral diminui à medida que seu tamanho diminui, assim como a capacidade dos materiais de resistir a mudanças rápidas de temperatura, geralmente chamadas de massa térmica - assim como em objetos de escala 'macro'. Por volta de 2003, os menores tamanhos de recursos estavam na faixa de 180 nm - agora estamos nos aproximando rapidamente de 10 nm.

Um evento de ESD que há 20 anos seria inofensivo poderia potencialmente destruir a eletrônica moderna. Nos transistores, o material do portão é com frequência a vítima, mas outros elementos que transportam corrente podem ser vaporizados ou derretidos; a solda nos pinos de um CI (tecnicamente, o suporte de montagem na superfície equivalente a uma grade de esferas (BGA) é muito mais comum hoje em dia) O PCB pode ser derretido, e o próprio silício possui algumas características críticas (especialmente seu valor dielétrico) que podem ser alteradas pelo calor elevado; Ao todo, ele pode mudar o circuito de um semicondutor para um sempre condutor, que geralmente termina com uma faísca e um mau cheiro quando o chip é ligado.

Os tamanhos menores de recursos são quase inteiramente positivos da maioria das perspectivas de métricas - coisas como velocidades de operação / relógio que podem ser suportadas, consumo de energia e geração de calor (fortemente acoplada) etc. de energia também aumenta à medida que o tamanho do recurso diminui.

Atualmente, a proteção contra ESD está incorporada em muitos eletrônicos, mas se você tiver 500 bilhões de transistores em um circuito integrado, não será um problema tratável determinar qual o caminho que uma descarga estática seguirá com 100% de certeza.

O corpo humano às vezes é modelado (o modelo corpo humano ; HBM) como tendo 100 a 250 picofarads de capacitância; nesse modelo, a tensão pode chegar a uma tensão tão alta (dependendo da fonte) quanto a 25 kV (alguns afirmam ter apenas a potência de 3 kV). Usando números maiores, a pessoa teria uma 'carga' de energia de aproximadamente 150 milijoules. Uma pessoa totalmente 'carregada' normalmente não estaria ciente disso e ela é descarregada em uma fração de segundo pelo primeiro caminho de terra disponível - freqüentemente um dispositivo eletrônico. Observe que esses números estão supondo que a pessoa não esteja usando roupas capazes de carregar carga adicional, o que normalmente é o caso.

Existem diferentes modelos para calcular o risco de ESD e os níveis de energia, e isso fica bastante confuso extremamente rápido, pois em alguns casos eles parecem contradizer um ao outro. Não consigo encontrar nenhuma fonte que seja mais definitiva do que outra, portanto, irei apenas vincular a esta excelente discussão de muitos dos padrões e modelos.

Independentemente do método específico usado para calculá-lo, não é e certamente não soa como muita energia - mas é mais do que suficiente para destruir um transistor moderno. Por contexto, 1 joule de energia é equivalente - por Wikipedia - à energia necessária para levantar um tomate de tamanho médio (100 g) 1 metro verticalmente da superfície da Terra.

Esse é o lado "pior" de um evento de ESD somente para humanos, onde o humano está carregando a carga e a descarregando em um dispositivo suscetível. Uma voltagem tão alta de uma quantidade relativamente baixa de carga ocorre quando a pessoa está extremamente mal aterrada. Um fator chave para o que e quanto é danificado não é, na verdade, a carga ou a tensão, mas a corrente - que neste contexto pode ser pensada em quão baixa é a resistência do caminho do aterramento do dispositivo eletrônico.

As pessoas que trabalham em torno da eletrônica geralmente estão sempre aterradas, com tiras de pulso e / ou tiras de aterramento nos pés. Estes não são 'curtos' no chão - a resistência é dimensionada para impedir que os trabalhadores sejam pára-raios (eletrocutados facilmente) - as pulseiras estão tipicamente na faixa de 1 Mohm, mas ainda permitem a descarga rápida de qualquer energia acumulada. Itens capacitivos e isolantes, juntamente com qualquer outro material de geração ou armazenamento de carga, são isolados das áreas de trabalho - como poliestireno, plástico bolha e copos de plástico.

Existem literalmente inúmeros outros materiais e situações que podem resultar em danos provocados por ESD (de diferenças de carga relativa positiva e negativa) a um dispositivo em que o próprio corpo humano não carrega a carga 'internamente', apenas facilita seu movimento - um desenho animado Um exemplo de nível seria usar um suéter de lã e meias enquanto caminhava sobre um tapete e depois tocava em um objeto de metal - que cria uma quantidade significativamente maior de energia do que o próprio corpo poderia armazenar.

Um último ponto sobre a pouca energia necessária para danificar a eletrônica moderna: o tamanho de um transistor de 10 nm (ainda não comum, mas será nos próximos anos) tem uma espessura de porta menor que 6 nm - o que está se aproximando do que eles chamam de "monocamada" - uma única camada de átomos.

É uma área muito complicada e é difícil prever a quantidade de dano que um evento de ESD pode causar a um dispositivo devido ao grande número de variáveis, incluindo a velocidade da descarga (quanta resistência entre a carga e o solo), o número caminhos para o solo através do dispositivo, umidade e temperatura ambiente e muito mais. Todas essas variáveis ​​podem ser conectadas a várias equações que modelam os impactos, mas ainda não são terrivelmente precisas na previsão de danos reais, mas são melhores no enquadramento dos danos "possíveis" de um evento.

Em muitos casos - e isso é muito específico do setor (pense médico ou aeroespacial), uma falha catastrófica que induz um evento de ESD é um resultado muito melhor do que um evento de ESD que passa despercebido na fabricação e nos testes, mas cria um defeito muito menor, ou talvez piore levemente um defeito latente não detectado preexistente, que em ambos os cenários pode piorar ao longo do tempo devido a eventos ESD 'menores' adicionais ou apenas ao uso regular, resultando em uma falha catastrófica e prematura do dispositivo (também conhecida como mortalidade infantil) em um prazo artificialmente reduzido, não previsto pelos modelos de confiabilidade (que são a base para os cronogramas de manutenção / substituição). Devido a esse perigo, é fácil pensar em situações terríveis - um microprocessador de marcapassos,

Agora, para um consumidor que não trabalha ou conhece muito sobre a fabricação de eletrônicos, isso pode parecer não ser um problema - no momento em que a maioria dos produtos eletrônicos são embalados para venda, existem inúmeras salvaguardas que impediriam a maioria dos danos causados ​​por ESD - os sensíveis os componentes são fisicamente inacessíveis e estão disponíveis caminhos mais "convenientes" para o aterramento (por exemplo, um chassi do computador está ligado ao aterramento - descarregar ESD para ele quase certamente não danificará a CPU dentro do gabinete, mas seguirá o caminho de baixa resistência ao aterramento via fonte de alimentação e alimentação na parede) ou, alternativamente, não são possíveis caminhos de transporte de corrente razoáveis ​​- muitos telefones celulares possuem exteriores não condutivos e somente possuem um caminho de terra durante o carregamento.

Para constar, eu tenho que fazer um treinamento de ESD a cada três meses, para poder continuar. Mas acho que isso deve ser suficiente para responder à sua pergunta. Acredito que tudo isso é preciso, mas recomendo vivamente que leia diretamente para se familiarizar com o fenômeno se não destruí sua curiosidade para sempre.

Uma coisa que as pessoas acham contra-intuitivo é que as sacolas nas quais você vê frequentemente os eletrônicos armazenados e despachados - sacolas anti-estáticas - também são condutoras. Antiestático significa que o material não coletará nenhuma carga significativa ao interagir com outros materiais, mas no mundo ESD é igualmente importante que, na medida do possível, tudo tenha a mesma referência de tensão 'terra', para que as superfícies de trabalho (esteiras ESD ), as bolsas ESD e outros materiais geralmente são mantidos ligados a um terreno comum (simplesmente por não ter um material isolante entre eles) ou mais explicitamente, conectando caminhos de baixa resistência ao terra entre todas as bancadas de trabalho, os conectores para o pulso dos trabalhadores bandas, o chão e alguns equipamentos. Existem problemas de segurança aqui - se você trabalha com explosivos e eletrônicos, sua pulseira pode ser amarrada diretamente ao terra, e não com um resistor de 1 Mohm. Se você trabalhar com voltagem muito alta, não se aterrará.

Outra citação sobre os custos de ESD da Cisco - que pode até ser um pouco conservadora, pois os danos colaterais de falhas de campo da Cisco geralmente não resultam em perda de vidas, o que pode aumentar os 100x referidos por ordens de grandeza:

É incrível quando você olha para o custo associado aos componentes danificados por ESD. Os custos relacionados à falha dependem de quando o dano foi descoberto. Estima-se que, se o dano for encontrado:

• Durante a montagem, o custo é 1 vezes o custo de montagem e mão de obra.
• Durante o teste, o custo é 10 vezes o custo de montagem e mão de obra.
• No local do cliente, o custo é 100 vezes o custo de montagem e mão de obra

Não vou tentar superar a discussão de ESD do @ Argonauts :)
Quero acrescentar algo a essa resposta. O @Argonauts ressalta que existem salvaguardas em muitos / na maioria dos produtos eletrônicos de consumo. Acredito que a resposta para sua pergunta é que essas salvaguardas (na maioria dos casos) melhoraram drasticamente.

Como exemplo, meu Commodore 64 do início dos anos 80 tinha dois conectores de joystick adjacentes ao interruptor de energia, ambos localizados na lateral da caixa. Esses eram conectores "macho" de 9 pinos ¹ , portanto, a menos que você se incline para a direita para assistir ao que estava fazendo, havia uma chance relativamente boa de escovar os pinos do conector exposto enquanto procura o interruptor ... e se você Ao tocar na combinação adequada de pinos (e seu corpo / roupa estavam carregando uma carga), você acionaria um ESD nas entranhas da máquina.

Além disso, alguns softwares exigiam o uso de uma porta específica do joystick ... o que significava que, em algum momento ou outro, você provavelmente tentaria puxar o joystick para fora da porta 1 e inseri-lo na porta 2 (ou vice-versa) . Novamente, havia uma boa chance de você tocar em uma das duas portas e possivelmente acionar um ESD.

Hoje, seu joystick provavelmente usa um conector USB ("A"). Mais importante, porém, os pinos do conector USB estão embutidos no interior da caixa e são impossíveis de tocar, ou quase (pelo menos com um dedo).

Da mesma forma, meu Commodore (e outros computadores do mesmo tipo IIRC vintage) tinham interfaces de cartucho com os pinos expostos e alinhados com o gabinete externo. Essa foi uma oportunidade não apenas para ESD, mas também para o acúmulo de poeira que poderia interferir na conexão do cartucho.

Porém, quando o (Nintendo) NES apareceu em cena, o compartimento do cartucho tinha uma "porta" de mola.

O ESD ainda é um problema (potencial) se você estiver brincando dentro de um PC (ou console, ou o que seja). Mas, há várias décadas, era relativamente fácil danificar um sistema via ESD sem abri-lo. Esse perigo é muito menos um fator simplesmente porque os eletrônicos são projetados com a possibilidade de ESD em mente.

1. Essa interface do conector já estava sendo usada pelo console Atari 2600, portanto, uma grande variedade de hardware de terceiros estava disponível.